De Borexino-detector, een hypergevoelig instrument diep onder de grond in Italië, is er eindelijk in geslaagd de bijna onmogelijke taak van het detecteren van CNO-neutrino’s uit de kern van onze zon tot een goed einde te brengen. Deze weinig bekende deeltjes onthullen het laatste ontbrekende detail van de fusiecyclus die onze zon en andere sterren aandrijft, en kunnen antwoord geven op nog openstaande vragen over de samenstelling van de zon. Credit: Borexino Collaboration
Een hypergevoelig instrument, diep onder de grond in Italië, is er eindelijk in geslaagd om de bijna onmogelijke taak van het detecteren van CNO-neutrino’s (piepkleine deeltjes die wijzen op de aanwezigheid van koolstof, stikstof en zuurstof) uit de kern van onze zon te volbrengen. Deze weinig bekende deeltjes onthullen het laatste ontbrekende detail van de fusiecyclus die onze zon en andere sterren aandrijft.
In resultaten die op 26 november 2020 in het tijdschrift Nature zijn gepubliceerd (en op de cover staan), melden onderzoekers van de Borexino-samenwerking de eerste detecties van dit zeldzame type neutrino’s, “spookdeeltjes” genoemd omdat ze door de meeste materie heen gaan zonder een spoor achter te laten.
De neutrino’s werden gedetecteerd door de Borexino-detector, een enorm ondergronds experiment in Midden-Italië. Het multinationale project wordt in de Verenigde Staten gesteund door de National Science Foundation in het kader van een gedeelde subsidie onder toezicht van Frank Calaprice, emeritus hoogleraar natuurkunde aan Princeton; Andrea Pocar, een in 2003 afgestudeerde alumna van Princeton en hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Massachusetts-Amherst; en Bruce Vogelaar, hoogleraar natuurkunde aan de Virginia Polytechnical Institute and State University (Virginia Tech).
De ontdekking van “spookdeeltjes” bevestigt voorspellingen uit de jaren 1930 dat een deel van de energie van onze zon wordt opgewekt door een keten van reacties waarbij koolstof, stikstof en zuurstof (CNO) betrokken zijn. Deze reactie produceert minder dan 1% van de energie van de zon, maar wordt verondersteld de primaire energiebron te zijn in grotere sterren. Bij dit proces komen twee neutrino’s – de lichtste bekende elementaire materiedeeltjes – vrij, evenals andere subatomaire deeltjes en energie. Bij het meer voorkomende proces van fusie van waterstof tot helium komen ook neutrino’s vrij, maar hun spectrale signaturen zijn verschillend, waardoor wetenschappers ze van elkaar kunnen onderscheiden.
“Bevestiging van CNO-verbranding in onze zon, waar het slechts op 1%-niveau werkt, versterkt ons vertrouwen dat we begrijpen hoe sterren werken,” zei Calaprice, een van de bedenkers van en hoofdonderzoekers voor Borexino.
CNO-neutrino’s: Windows into the sun
Gedurende een groot deel van hun leven krijgen sterren energie door waterstof tot helium te smelten. In sterren als onze zon gebeurt dit voornamelijk door proton-proton ketens. Maar in zwaardere en hetere sterren katalyseren koolstof en stikstof de verbranding van waterstof en komen CNO-neutrino’s vrij. Het vinden van neutrino’s helpt ons te kijken naar de werking diep in het inwendige van de zon; toen de Borexino-detector proton-proton-neutrino’s ontdekte, deed dit nieuws de wetenschappelijke wereld opschrikken.
Maar CNO-neutrino’s bevestigen niet alleen dat het CNO-proces in de zon aan het werk is, zij kunnen ook helpen een belangrijke open vraag in de stellaire fysica op te lossen: hoeveel van het inwendige van de zon bestaat uit “metalen”, wat astrofysici definiëren als alle elementen zwaarder dan waterstof of helium, en of de “metalliciteit” van de kern overeenkomt met die van het oppervlak of de buitenlagen van de zon.
Helaas zijn neutrino’s buitengewoon moeilijk te meten. Meer dan 400 miljard neutrino’s raken elke seconde elke vierkante centimeter van het aardoppervlak, maar bijna al deze “spookdeeltjes” passeren de hele planeet zonder met iets in wisselwerking te treden, zodat wetenschappers zeer grote en zorgvuldig beschermde instrumenten moeten gebruiken om ze te detecteren.
De Borexino-detector ligt een halve mijl onder de Apennijnen in Midden-Italië, in het Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) van het Nationaal Instituut voor Kernfysica van Italië, waar een reusachtige nylon ballon – zo’n 30 voet in doorsnee – gevuld met 300 ton ultrazuivere vloeibare koolwaterstoffen wordt vastgehouden in een meerlagige bolvormige kamer die in water is ondergedompeld. Een minieme fractie van de neutrino’s die de planeet passeren zal weerkaatsen op elektronen in deze koolwaterstoffen, waarbij lichtflitsen worden geproduceerd die kunnen worden gedetecteerd door fotonsensoren die de watertank bekleden. De grote diepte, omvang en zuiverheid maken Borexino tot een werkelijk unieke detector voor dit soort wetenschap.
Het Borexino-project werd in het begin van de jaren negentig gestart door een groep fysici onder leiding van Calaprice, Gianpaolo Bellini van de Universiteit van Milaan, en wijlen Raju Raghavan (toen bij Bell Labs). In de afgelopen 30 jaar hebben onderzoekers over de hele wereld bijgedragen aan het vinden van de proton-proton keten van neutrino’s en, ongeveer vijf jaar geleden, begon het team de jacht op de CNO neutrino’s.
Het onderdrukken van de achtergrond
“De afgelopen 30 jaar ging het om het onderdrukken van de radioactieve achtergrond,” zei Calaprice.
De meeste neutrino’s die door Borexino zijn gedetecteerd zijn proton-proton neutrino’s, maar een paar zijn herkenbaar CNO neutrino’s. Helaas lijken CNO-neutrino’s op deeltjes die worden geproduceerd door het radioactieve verval van polonium-210, een isotoop dat lekt uit de gigantische nylon ballon. Om de neutrino’s van de zon te scheiden van de poloniumbesmetting was een nauwgezette inspanning nodig, onder leiding van Princeton-wetenschappers, die in 2014 begon. Omdat niet kon worden voorkomen dat de straling uit de ballon lekte, vonden de wetenschappers een andere oplossing: signalen van de besmette buitenrand van de bol negeren en het diepe binnenste van de ballon beschermen. Daarvoor moesten ze de snelheid van de vloeistofbeweging in de ballon drastisch vertragen. De meeste vloeistofstromen worden aangedreven door warmteverschillen, dus werkte het Amerikaanse team aan een zeer stabiel temperatuurprofiel voor de tank en de koolwaterstoffen, om de vloeistof zo stil mogelijk te maken. De temperatuur werd nauwkeurig in kaart gebracht door een reeks temperatuursondes die waren geïnstalleerd door de Virginia Tech-groep, onder leiding van Vogelaar.
“Als deze beweging voldoende kon worden gereduceerd, zouden we vervolgens de verwachte vijf of zo laagenergetische terugslagen per dag kunnen waarnemen die het gevolg zijn van CNO-neutrino’s,” zei Calaprice. “Ter referentie, een kubieke voet ‘verse lucht’ – die duizend keer minder dicht is dan de koolwaterstofvloeistof – ervaart ongeveer 100.000 radioactieve decays per dag, voornamelijk van radongas.”
Om te zorgen voor stilte binnen de vloeistof, ontwikkelden Princeton en Virginia Tech wetenschappers en ingenieurs hardware om de detector te isoleren – in wezen een gigantische deken om het te wikkelen – in 2014 en 2015, vervolgens voegden ze drie verwarmingscircuits toe die een perfect stabiele temperatuur handhaven. Die slaagden erin om de temperatuur van de detector te beheersen, maar seizoensgebonden temperatuurveranderingen in Hal C, waar Borexino zich bevindt, veroorzaakten nog steeds kleine vloeistofstromen, die het CNO-signaal vertroebelen.
Dus werkten twee Princeton-ingenieurs, Antonio Di Ludovico en Lidio Pietrofaccia, samen met LNGS-stafingenieur Graziano Panella om een speciaal luchtbehandelingssysteem te maken dat een stabiele luchttemperatuur in Hal C handhaaft. Het Active Temperature Control System (ATCS), dat eind 2019 werd ontwikkeld, produceerde uiteindelijk voldoende thermische stabiliteit buiten en binnen de ballon om de stromen in de detector te stillen, waardoor de verontreinigende isotopen eindelijk niet van de ballonwanden in de kern van de detector worden meegevoerd.
De inspanning loonde.
“De eliminatie van deze radioactieve achtergrond creëerde een lage achtergrondregio van Borexino die de meting van CNO-neutrino’s mogelijk maakte,” zei Calaprice.
“De gegevens worden steeds beter”
Vóór de CNO-neutrino-ontdekking had het lab gepland om Borexino-operaties eind 2020 te beëindigen. Nu lijkt het erop dat het verzamelen van gegevens kan worden verlengd tot in 2021.
Het volume van nog steeds koolwaterstoffen in het hart van de Borexino-detector is in omvang blijven groeien sinds februari 2020, toen de gegevens voor het Nature-paper werden verzameld. Dat betekent dat, naast het onthullen van de CNO-neutrino’s die het onderwerp zijn van het Nature-artikel van deze week, er nu ook een potentieel is om het “metalliciteitsprobleem” te helpen oplossen – de vraag of de kern, de buitenlagen en het oppervlak van de zon allemaal dezelfde concentratie elementen hebben die zwaarder zijn dan helium of waterstof.
“We zijn doorgegaan met het verzamelen van gegevens, terwijl de centrale zuiverheid is blijven verbeteren, waardoor een nieuw resultaat gericht op de metalliciteit een reële mogelijkheid is,” zei Calaprice. “Niet alleen verzamelen we nog steeds gegevens, maar de gegevens worden steeds beter.”
Voor meer over dit onderzoek:
- Neutrino’s leveren het eerste experimentele bewijs van het CNO-energieproducerende mechanisme van het heelal
- Inzicht in de “waterstofverbrandende” kracht van onze zon
Referentie: “Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun” door The Borexino Collaboration, 25 november 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0
Andere Princetonianen in het Borexino-team zijn Jay Benziger, emeritus hoogleraar chemische en biologische engineering, die de supergezuiverde detectorvloeistof ontwierp; Cristiano Galbiati, hoogleraar natuurkunde; Paul LaMarche, nu de vice-provoost voor ruimteprogrammering en -planning, die de oorspronkelijke projectmanager van Borexino was; XueFeng Ding, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de natuurkunde; en Andrea Ianni, een projectmanager in de natuurkunde.
Zoals veel van de wetenschappers en ingenieurs in het Borexino-collectief, zijn Vogelaar en Pocar met het project begonnen toen ze in het lab van Calaprice op Princeton waren. Vogelaar werkte aan de nylon ballon toen hij onderzoeker en vervolgens assistent-professor was in Princeton, en aan de kalibratie, detectorcontrole, en vloeistofdynamische modellering en thermische stabilisatie in Virginia Tech. Pocar werkte aan het ontwerp en de constructie van de nylon ballon en de inbedrijfstelling van het vloeistofbehandelingssysteem in Princeton. Later werkte hij met zijn studenten aan UMass-Amherst aan gegevensanalyse en technieken om de achtergronden te karakteriseren voor de CNO en andere neutrinometingen van de zon.
Dit werk werd in de V.S. gesteund door de National Science Foundation, Princeton University, de University of Massachusetts en Virginia Tech. Borexino is een internationale samenwerking die ook wordt gefinancierd door het Italiaanse Nationale Instituut voor Kernfysica (INFN), en financieringsinstellingen in Duitsland, Rusland en Polen.